Изготовление цилиндрических фоторецепторов

Свойства фоторецепторов определяются совокупностью свойств электрофотографического слоя и основы (подложки). Сочетание материалов фотослоя, связующих слоев и подложки оказывает влияние на характеристики фоторецептора. Например, селеновый фотослой, нанесенный на пластину из нержавеющей стали, способен удерживать в темноте более высокий отрицательный потенциал, чем аналогичный слой, нанесенный на алюминиевую или латунную подложку; при этом в первом случае достигается более контрастное изображение. При положительной электризации максимальный потенциал удерживается на латунной основе.

Основными требованиями к материалу подложки в электрофотографии являются:

1. Химическая однородность материала подложки, его стойкость к естественному старению.

2. Материал подложки не должен взаимодействовать с материалом электрофотографического слоя при любых условиях эксплуатации (температура, влажность).

3. Материал подложки должен обеспечивать получение высокого класса шероховатости поверхности.

4. Удельное сопротивление материала подложки должно быть меньше удельного сопротивления фотослоя на свету.

При использовании связующего вещества между фотослоем и основой его удельное сопротивление должно быть выше удельного сопротивления фотопроводника и естественно выше, чем у подложки.

Технология изготовления фоторецептора зависит от его формы, материала основы и материала светочувствительного слоя. В нашей стране наиболее полно разработана технология изготовления селенированных фоторецепторов. В отечественной ксерокопировальной аппаратуре наибольшее применение нашли электрофотографические цилиндры с основой из алюминия и селеновым фотослоем. На рис. 2.4, в качестве примера, представлен разрез промышленного селенового электрофотографического цилиндра. Здесь алюминиевая основа 1 и ее анодная пленка, состоящая из сплошной части 2 и пористой части 3, образуют подложку, на которую нанесен селеновый светочувствительный слой. Фотослой содержит кристаллитный подслой 4, зону межфазного раздела селенового слоя 5, слой стекловидного селена 6, его приповерхностную область 7 и поверхностную (глазированную) зону 8, придающую характерный блестящий оттенок изделию.

Так как технология изготовления алюминиевых цилиндрических фоторецепторов с селеновыми светочувствительными слоями наиболее отработана в производстве и является основой для технологии изготовления современных цилиндрических фоторецепторов, то она и будет рассмотрена в дальнейшем изложении материала.

Для достижения высокой стабильности характеристик фоторецептора большое значение имеет чистота поверхности подложки и хорошая обрабатываемость. Грубо обработанные подложки способствуют тому, что фотослой не способен удержать высокий начальный потенциал. Так, при обработке цилиндрической заготовки из алюминия и переходе от шлифования её поверхности (R_Z = 0,8 ¸ 0,4 мкм) к полированию (R_Z = 0,3¸ 0,1 мкм) в последующем для одного и того же фотослоя наблюдается резкий подъем потенциала зарядки и соответственно начального потенциала. От величины шероховатости поверхности цилиндра-заготовки зависит и светочувствительность фоторецептора. Такие результаты получены при исследовании процессов изготовления электрофотографических цилиндров с основой из алюминия, когда заготовка была изготовлена в результате чистового токарного точения, а затем в первом варианте проводилась суперфинишная обработка цилиндра виброобкатыванием на токарном станке, а во втором варианте проводилась обкатка поверхности шариком (обработка давлением). Обработка подложки давлением создавала более благоприятный рельеф поверхности для получения максимального электростатического контраста.

Рисунок 6 – Разрез промышленного производства электрофотографического цилиндра

При промышленном производстве отечественных алюминиевых фоторецепторов вначале проводилась токарная обработка до шероховатости R_Z = 6,3 мкм, затем применялась суперфинишная обработка. Суперфинишная обработка проводилась на специализированных станках диаматиновой пастой, содержащей шлифовальный порошок с размером частиц 10 и 5 мкм, олеиновую кислоту и церезин. В качестве разбавителя использовался спирт-ректификат. Время обработки одного цилиндра составляло 20 ¸ 24 часа. Обработку давлением вели шариками разных размеров при разной скорости обкатки со смазкой. Шарики вначале устанавливались в опоры из фторопласта. Усовершенствованием метода обкатки явилась установка шарика на воздушную подушку. Применение обкатки на воздушной подушке при соответствующей очистке воздуха дало возможность избавиться от смазки, увеличить стойкость шариков, стабилизировать процесс и уменьшить количество обкаток.

На рис. 7а приведена принципиальная схема обкатки цилиндра шариком, а также показаны увеличенная профилограмма поверхности после обкатки, а на рис. 7б - схема построения обкатника, работающего на воздушной подушке. Здесь обозначены: 1- цилиндр, 2 - шар, 3 – сепаратор, 4 – опоры шара в сепараторе, 5 – манометр, 6 - прокладка, 7 – крепежный корпус, 8 – штуцер. На первом этапе для получения шероховатости R_Z = 0,4 ¸ 0,8 мкм применяли шарик диаметром D = 19,05 мм. Обработка велась при скорости обкатки V = 150 м/мин и подаче s = 0,15 мм на оборот, а также при усилии давления P» 9 Н на глубину h = 0,06 мм (буквенные обозначения соответствуют рис. 2.5 /5/). Затем на втором и третьем этапах скорость обкатки снижали соответственно до 75 и 37 м/мин. Шероховатость поверхности, близкую к R_Z = 0,1 мкм, получали четырехкратной обкаткой шариком диаметра D = 75 мм.

Рисунок 7 - Принципиальная схема обкатки цилиндра шариком и профилограмма поверхности после обкатки (а). Схема построения обкатника, работающего на воздушной подушке (б)

Такая обработка давлением давала лучшие результаты по светочувствительности, что объясняется большей однородностью поверхности цилиндрической заготовки, получаемой при неоднократном «задавливании» пиков неровностей микрорельефа шариком. Для достижения стабильности и однородности свойств фоторецепторов с металлической подложкой и величины шероховатости не ниже R_Z = 0,1 мкм цилиндры из алюминия можно обрабатывать не только совмещая холодное пластическое деформирование при обкатке шариком с электрохимическим полированием, но и применяя, как, например, делает английская фирма Rank Xerox, в чистовой обработке алмазные резцы с последующим алмазным приглаживанием.

При изготовлении алюминиевых фоторецепторов важным является процесс получения прочной анодной пленки, а также повышенной адгезии между основой и электрофотографическим слоем, поэтому после механической обработки цилиндры промывали, обезжиривали, анодировали, вторично промывали, сушили, подвергали дегазации и только затем наносили электрофотографический слой. Пористая часть анодной пленки не обладает достаточной прочностью и равномерностью свойств, поэтому для алюминиевых цилиндров применяют травление, а также химическое оксидирование. Химическое оксидирование обеспечивает получение оксидной пленки толщиной несколько десятков ангстрем. Применяется также электрохимическое анодирование, например в 20% -ном растворе химически чистой серной кислоты в специальных свинцовых ваннах. Толщина анодной пленки в зависимости от времени анодирования составляет 1 ¸ 15 мкм. При химическом оксидировании окисный слой получается сплошным и плотным, а при электрохимическом – пористым. Во втором случае при нанесении слоя фотопроводника обеспечивается лучшая адгезия благодаря заполнению пустот поверхности селеном.

Разработано несколько методов нанесения селена на алюминиевую цилиндрическую основу, из которых основными являются: нанесение селена из расплава, холодное распыление, горячее прессование, электролитическое осаждение, электрофоретическое нанесение селена. Для нанесения селена из расплава применяются вакуумные установки. Широко распространены и промышленно выпускаются установки, где внутри камеры располагается напыляемый вращающийся цилиндр и неподвижный тигель с расплавленным селеном. Испаряющийся селен равномерно конденсируется на поверхности цилиндра, температура которого регулируется. Равномерность толщины селенового слоя обеспечивается точностью процесса вращения заготовки, контролем за температурой основы и временем нанесения; важным моментом процесса является скорость охлаждения нанесенного селенового слоя. В ряде установок вакуумного напыления задача нанесения селена из расплава решается при неподвижном цилиндре и вращающейся емкости с расплавом селена. Такой способ нанесения селена называют центробежным. Нанесение селена на основу возможно также методом сублимации - вакуумным нанесением при температуре селена ниже температуры плавления, т.е. из твердой кристаллической фазы, что определяет большую степень упорядоченности молекулярной структуры слоя при последующей термической обработке и увеличение светочувствительности. При нанесении селена методом сублимации уменьшается количество «набросов» и микродефектов, увеличивается производительность процесса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Тарасов Б. Н. Ксерокопировальная аппаратура: Учебное пособие СПб.: СПбГУКиТ, 2004, "3.2 Оптические системы".

2. Трубникова Т. А. Телефаксимильная аппаратура: Учебное пособие. СПб.: СПбГУКиТ, 2010 - 56 с.

3. Руководство по эксплуатации ксерокопировального аппарата XEROX 5220 Personal Copier.